3D Modeling of Possible Rockfall Using Unmanned Aerial Vehicles Based on Geographic Information System: The Case of the Kasımlar Village (Isparta, Turkey)

Abstract

Rockfalls are one of the geological-based natural disasters and it develops in the control of factors such as lithology, discontinuities, slope, decomposition, roughness and vegetation. There are generally 2 and 3 dimensional solutions for the modeling of rock falls in engineering projects. However, 3D solutions have been used frequently in recent years because they simulate the natural environment more precisely. With the widespread use of unmanned aerial vehicles, very valuable data can be collected about the location and block size of discontinuities on steep slopes, which are very difficult to access as well as topography and vegetation creating a point cloud with orthophotos. In this study, potential rock drops in Kasımlar Village of Sütçüler District in Isparta Province were modeled as 3D in Geographic Information Systems with photogrammetric methods using Unmanned Aerial Vehicle. At the same time, the trajectories of falling blocks belongs to possible rockfalls, trajectory, passing heights and energies are calculated and areas under risk are mapped. According to the results of 3D modeling for four blocks ranging in size from 26 m³ to 355 m³, the maximum kinetic energy is 55170kJ, the maximum passing heightis 11.5 m and the maximum simulated velocity are 24.7m/s..

Keywords

• Unmanned aerial vehicles,Photogrammetry,Orthophoto,Point cloud,Geographic information systems,3D modeling of rock falls

İnsansız Hava Araçları Kullanılarak Olası Kaya Düşmelerinin Coğrafi Bilgi Sistemleri Tabanlı 3D Modellenmesi: Kasımlar Köyü (Isparta-Türkiye) Örneği

Abstract

Kaya düşmeleri jeolojik tabanlı doğal afetlerden birisi olup litoloji, süreksizlikler, eğim, ayrışma, pürüzlülük, bitki örtüsü gibi faktörlerin kontrolünde gelişmektedir. Mühendislik projelerinde kaya düşmelerinin modellenmesine yönelik genel olarak 2 ve 3 boyutlu çözümler bulunmakla birlikte 3D çözümler doğal ortamı daha hassas modellemesinden dolayı son yıllarda çok sık kullanılmaya başlanmıştır. İnsansız hava araçlarının gelişerek kullanımlarının yaygınlaşmasıyla birlikte yüksek çözünürlüklü ortofotolar ile nokta bulutu oluşturularak topografya ve bitki örtüsünün yanısıra ulaşımı çok zor olan dik yamaçlardaki süreksizliklerin konumları ile blok boyutları hakkında çok değerli veriler toplanabilmektedir. Bu çalışmada, İnsansız Hava Aracı kullanılarak fotogrametrik yöntemler ile Isparta İli, Sütçüler İlçesi Kasımlar Köyündeki potansiyel kaya düşmeleri Coğrafi Bilgi Sistemleri ortamında 3D olarak modellenmiştir. Aynı zamanda olası kaya düşmelerindeki düşen blokların yörüngeleri, düşme açıları, sıçrama yükseklikleri ve enerjileri hesaplanarak risk altında bulunan alanlar haritalandırılmıştır. Boyutları yaklaşık 26m³ ile 355m³ arasında değişen 4 adet blok için yapılan 3D modelleme sonuçlarına göre olası kaya düşmelerindeki maksimum kinetik enerjilerin 55170 kJ, maksimum sıçrama yüksekliklerinin 11.5 m ve maksimum düşme hızlarının ise 24.7 m/s olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• İnsansız hava araçları,Fotogrametri,Ortofoto,Nokta bulutu,Coğrafi bilgi sistemleri,Kaya düşmelerinin 3D modellenmesi

References

1. [1] Varnes, D.J., 1978. Slope movements: types and processes. In: Schuster, R.L., Krizek, R.J.(Eds.), Landslide Analysis and Control. Transportation Research Board, Special Report No. 176, Washington, DC, 11-33.
2. [2] Hutchinson, J. N., 1988. Morphological and geotechnical parameters of landslide in relation to geology and hydrogeology, 5th international symposium on landslides, 10 - 15 July, Lausanne, 1, 3-35.
3. [3] Cruden, D.M., Varnes, D.J., 1996. Landslide Types and Processes. Landslides Investigation and Mitigation, Special Report 247, 36-75.
4. [4] AFAD., 2015. Bütünleşik Afet Tehlike Harita Hazırlanması: Heyelan-Kaya Düşmesi Temel Kılavuzu, Planlama ve Zarar Azaltma Dairesi Başkanlığı, 152s, Ankara.
5. [5] Whalley, W. B. 1984. Rockfalls, in: Slope Instability, Wiley, Chichester, 217-256.
6. [6] Perret, S., F. Dolf, H. Kienholz, 2004. Rockfalls into forests: analysis and simulation of rockfall trajectories - considerations with respect to mountainous forests in Switzerland. Landslides. 1, 123-130.
7. [7] Hungr, O., Evans, S. G., Hazzard, J. 1999. Magnitude and frequency of rock falls and rock slides along the main transportation corridors on southwestern British Columbia. Canadian Geotechnical Journal, 36, 224-238.
8. [8] Peckover, F. L. 1975. Treatment of rock falls on railway lines. American Railway Engineering Association, Bulletin 653, 471-503.

9. [9] Chau, K. T., Wong, R. H. C., Liu, J., Lee, C. F. 2003. Rockfall hazard analysis for Hong Kong based on rockfall inventory. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36(5), 383-408.
10. [10] Gökçe, O., Özden, Ş., Demir, A. 2008. Türkiye'de afetlerin mekansal ve istatistiksel dağılımı afet bilgileri envanteri. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Afet İşleri Genel Müdürlüğü, 126 s, Ankara.
11. [11] Guzzetti, F., Crosta, G., Detti, R., Agliardi, F. 2002. STONE: a computer program for the three-dimensional simulation of rock-falls, Computers & Geosciences, 28, 1079-1093.
12. [12] Dorren, L. K. A. 2003. A review of rockfall mechanics and modelling approaches, Progress in Physical Geography, 27, 69-87.
13. [13] Liniger, M. 2000. Computer simulation von Stein- und Blockschl¨agen, Felsbau, 18, 64-68.
14. [14] Le Hir, C., Berger, F., Dorren, L. K. A.,, Qu´etel, C. 2004. Forest: a natural means of protection against rockfall, but how to reach sustainable mitigation? Advantages and limitations of combining rockfall models taking the forest into account, International Congress Interpraevent, 23-28 May, Riva del Garda, Italy, 2, 59-69.
15. [15] Dorren, L. K. A., Maier, B., Putters, U. S.,, Seijmonsbergen, A.C. 2004. Combining field and modelling techniques to assess rockfall dynamics on a protection forest hillslope in the European Alps, Geomorphology, 57, 151-167.
16. [16] Dorren L.K.A. 2016. Rockyfor3D (v5.2) revealed – Transparent description of the complete 3D rockfall model. ecorisQ paper (www.ecorisq.org): 32 p.
17. [17] Dorren, L.K.A., Berger, F., Putters, U.S., 2006. Real-size experiments and 3-D simulation of rockfall on forested and non-forested slopes. Natural Hazards and Earth System Sciences, 6(1), pp.145-153.
18. [18] Dumont, J.F., Kerey, E., 1975. Eğirdir Gölü güneyinin (Isparta ili) temel jeolojik etüdü. Türkiye Jeoloji Kurultayı Bülteni, 18 (2), 1-10.
19. [19] Bozcu, A. 2007. Zindan Mağarası ve Çevresinin Jeolojik - Arkeolojik Özellikleri. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 11(1), 54-63.
20. [20] Şenel, M., Dalkılıç, H.; Gedik, l.; Serdaroğlu, M.; Bölükbaşı, A.S.; Metin, S.; Esentürk, K.; Bilgin, A.Z.; Uğuz, M.F.; Korucu, M., Özgül, N. 1992. Eğirdir-Yenişarbademli- Gebiz ve Geriş- Köprülü (Isparta- Antalya) arasında kalan alanların jeolojisi. MTA Rapor No: 9390, TPAO Rapor No: 3132 (yayımlanmamış), 559s, Ankara.
21. [21] Şenel, M., Gedik, haz, Dalkılıç, H., Serdaroğlu, M., Bilgin A.Z., Uğuz, M.F. Bölükbaşı, A.S., Metin, Y., Korucu, M., Özgül, N. 1996. Isparta Büklümü Doğusunda, Otokton ve Allokton Birimlerin Stratigrafisi (Batı Toroslar). Maden Tetkik Arama Dergisi, 118, 111-160.